专利名称：一种光电轴角编码器信号幅值和相位自动补偿电路的制作方法
技术领域：
本发明属于光电检测技术领域中涉及的一种光电轴角编码器光 电信号的幅值和相位补偿电路。
技术背景高精度光电轴角编码器是目前应用较为广泛的精密角位移传感 器。由于光电器件本身对环境温度较为敏感，当环境温度变化较大或 者是经过长期的存放和使用后，编码器光电信号的幅值会发生比较大的改变，实验证明，+60"时输出的信号幅值约为常温(+20。C)时的 1.1倍，而一60'C时输出信号的幅值是常温时的0.7倍，幅值变化率 高达40%。而光电信号幅值是影响轴角编码器精度的重要因素之一。 光电信号的正交性也会受到环境和装调工艺的影响，影响了编码器的 输出精度。因此，保证光电轴角编码器光电信号幅值和相位关系的稳 定性是业内人士十分关心的话题。在己有的技术中，与本发明最为接近的已有技术是中科院长春光 学机密机械与物理研究所研制开发的轴角编码器电子学细分电路，如 图1所示，包括可调电位计1，可调电位计2，可调电位计3，可调 电位计4，第一差分放大器5，第二差分放大器6和锁存器7以及单 片机8。其中，0°信号和180°信号分别经过可调电位计1和可调电 位计2后进入第一差分放大器5放大形成Sin路信号；90°信号和270°信号分别经过5J调电位计3和可调电位计4后进入第二差分放 大器6放大形成Cos路信号；两路信号经过锁存器7锁存后，直接进 入集成有A/D功能的单片机8进行细分。当环境温度变化时，编码器光电发射器件和接受器件的参数发生 变化，使得光电信号幅值随之发生改变，影响了高精度编码器的测角 精度。为了保证编码器在不同温度下的测角精度，通常采用人工手动 调节0°信号、180°信号、90°信号、270°信号可调电位计l一4 的^法来调整细分信号的幅值，以补偿由于温度而产生的幅值误差。 这种方法需要专业人员操作，效率底，费时费力，不能满足野外条件 下对产品使用和维护的要求。另外，由于信号的相位关系要求非常严 格，这不但为编码器的装调带来很大的困难，而且一旦在使用过程当 中相位关系有微小的改变就必须由专业人员对编码器的机械结构从 新进行调整，严重影响了编码器的使用。 发明内容为了克服己有技术的缺陷，本发明的目的在于解决光电信号幅值 由于环境温度改变而产生变化的现象，同时还能够调节编码器光电信 号的相位关系，提高编码器的信号正交性，从而降低装调难度。本发明要解决的技术问题是，提供一种光电轴角编码器信号幅值 和相位自动补偿电路。解决技术问题的技术方案如图2所示，包括第一电位计10、第 二电位计1K第三电位计12、第四电位计13、第一可变增益差分放 大电路14、第二可变增益差分放大电路15、锁存器16、峰值检测电路17、锁相环18和Arm处理器19。与0°信号相连的第一电位计10的输出端和与180。信号相连的 第二电位计11的输出端分别与第一可变增益差分放大电路14的输入 端相连接，使得O。信号和18(T信号经过第一电位计10和第二电位 计11转变为电压信号后进入第一可变增益差分放大电路14，经差分 放大后形成Sin路信号；与90°信号相连的第三电位计12的输出端 和与270°信号相连的第四电位计13的输出端分别与第二可变增益 差分放大电路15的输入端相连接，使90°信号和27(T信号经过第 三电位计12和第四电位计13转变为电压信号后进入第二可变增益差 分放大电路15，经差分放大后形成Cos路信号。第一可变增益差分 放大电路14和第二可变增益差分放大电路15的输出端分别与锁存器 16的输入端相连接，同时也分别与峰值检测电路17的输入端连接， 另外，第二可变增益差分放大电路15的输出端与锁相环18相连接， 使得Sin路信号和Cos路信号进入锁存器16锁存，并同时进入峰值 检测电路17，且Cos路信号进入锁相环18进行锁相倍频。锁存器16、 峰值检测电路17、锁相环18的输出端均与Arm处理器19相连接， 利用Arm处理器19对信号进行处理。Arm处理器19的输出端分别 与第一可变增益差分放大电路14和第二可变增益差分放大电路15相 连接，即利用Arm处理器19对两个可变增益差分放大电路进行控制。 其中，峰值检测电路17用于检测两路信号的峰值；锁相环18用于对 Cos路信号进行信号锁定倍频，并以此为触发信号对Sm路信号和Cos 路信号进行A/D转换，将模拟量数字化后，进行相位检测和补偿。在幅值补偿中，Arm处理器19检测到幅值后，将此幅值与标准 幅值相比较，不断修正第一可变增益差分放大电路14和第二可变增 益差分放大电路15的放大倍数，使信号幅值满足要求；在相位补偿 中，采用在检测状态中检测相位偏差一存储相位偏差一实际工作中补 偿偏差的思路，在检测状态中检测到相位误差后在工作状态中补偿该 误差。电路的工作原理为第一可变增益差分放大电路14和第二可变增益差分放大电路15分别对各路信号进巧差分放大，得到Sm路信 号和Cos路信号。在信号幅值检测补偿过程中，峰值检测电路17对 两路信号进行峰值检测，将检测到的两路信号的峰值送入集成有A/D 转换器件的Arm处理器19中，Arm处理器19通过一定的算法，将 反馈量送入到第一可变增益差分放大电路14和第二可变增益差分放 人i[L路15屮，改变两个差分放大电路的放大倍数，使得两路信号幅 值与标准的信号幅值更加符合，不断重复此过程，最后使得两路信号 的幅值达到标准要求，从而完成信号的幅值补偿过程；在相位检测过 程中，由锁相环18对Cos路(因为Sin路和Cos路信号的频率一样， 所以也可以是Sin路)信号进行倍频，例如100倍频，以此作为Arm 处理器19对两路信号的采样信号，通过一定的算法，计算出两路信 号的相位偏差，然后在细分工作过程中对由于相位偏差而引起的细分 误差进行软件补偿。在幅值补偿中，最重要的是幅值检测电路的精度，峰值检测电路 17的示意图如图3所示。信号由输入端进入，从输出端就可直接得到信号在--定时间内的峰值，选取适当电容和电阻，可以精确的得到 光电轴角编码器光电信号的峰值。幅值补偿的软件流程如图4所示。在幅值补偿子程序当中，Arm 处理器19通过A/D转换得到信号的实际幅值值，然后与标准的信号 幅值值做比较，如果差值不满足要求，Arm处理器19对两个可变增 益差分放大电路14和15进行调节。'重复此过程，使得最后实际信号 幅值与标准信号幅值基本一致，从而完成幅值补偿。相位补偿按图5所示方式进行，整个过程分为相位检测状态和工 作补偿状态。在相位检测状态中，Sm路和Cos两路信号在锁相环18 提供的采样同步信号下进入集成有A/D转换器件的Arm处理器19 中进行多次采样(本发明在一个信号周期内采样IOO次)，并将采样 值存储到Arm处理器19中。Arm处理器19对两路信号100次采样 所得的值做一定算法的运算，即能得到两路信号的相位偏差值，并存 储到Arm处理器19中；在工作补偿状态中，软件首先利用存储在 Arm处理器19中的相位偏差值对Sin信号和Cos路信号的实际采样 位做调整补偿，然后利用此调整补偿后的两路信号值取代两路信号的 实际采样值进入编码器细分程序中进行细分运算，即可以减小由相位 偏差带来的编码器细分误差。其中，相位差的计算方法是将两路信号各自在一个信号周期内的 100个采样值进行点积运算，其运算结果于两路信号的相位偏差成正 比关系，由此可得两路信号的相位偏差；相位偏差的补偿是利用在相 位检测状态中检测到并存储在Arm处理器19中相位偏差，根据泰勒级数展开定理，对两路信号中的其中一路(本发明使用COS路)进行泰勒级数展开，得到能与另外一路信号(本发明中的Sm路)相正交 的信号的值，利用此值取代实际的Cos路信号采样值与Sm路信号采 样值一起参加编码器细分运算，从而使两路信号的正交性提高。锁相环18用于对输入信号的锁相倍频，所得到的信号作为A/D 器件对信号做采样的触发信号，从而实现在不同输入信号频率下对信 号的整周期采样，例如在不同信号频率下每个信号周期对信号采样 100次。 ，本发明的积极效果是经过此硬件和软件补偿过程，使得Sm和 Cos路信号的幅值基本与软件设定值一致，其相位关系质量较补偿前 得到很大提高，保证了不同环境温度条件下光电信号幅值和相位关系 的稳定性，确保高精度轴角编码器的测角精度。
图l:已有技术的编码器光电信号电子学细分电路结构示意图； 图2:本发明的电子学细分电路结构示意图； 图3:峰值检测电路17结构示意图；图4:本发明电路工作原理说明中幅值检测补偿软件流程图； 图5:本发明电路工作原理说明中相位检测补偿方法示意图； 具体实施方案本发明按图2所示电路结构实施，其中第一电位计IO、第二电位计11、第三电位计12、第四电位计13采用相同规格的722C0电位 计；Arm处理器19采用philips公司Arm7系列芯片LPC2131;第一可变增益差分放大电路14和第二可变增益差分放大电路15由高速运放OPA2227和可控数字电位计AD5254组成；峰值检测电路17由集 成运放LM324及电阻电容和二极管搭建，如图3所示；锁相环18由 集成锁相环芯片CD4046和BCD计数芯片CD4518组成。
权利要求
1.一种光电轴角编码器信号幅值和相位自动补偿电路，包括电位计、锁存器，其特征在于还包括第一可变增益差分放大电路(14)、第二可变增益差分放大电路(15)、峰值检测电路(17)、锁相环(18)和Arm处理器(19)；与0°信号相连的第一电位计(10)的输出端和与180°信号相连的第二电位计(11)的输出端分别与第一可变增益差分放大电路(14)的输入端相连接；与90°信号相连的第三电位计(12)的输出端和与270°信号相连的第四电位计(13)的输出端分别与第二可变增益差分放大电路(15)的输入端相连接；第一可变增益差分放大电路(14)和第二可变增益差分放大电路(15)的输出端分别与锁存器(16)的输入端相连接，同时也分别与峰值检测电路(17)的输入端连接，另外，第二可变增益差分放大电路(15)的输出端与锁相环(18)相连接；锁存器(16)、峰值检测电路(17)、锁相环(18)的输出端均与Arm处理器(19)相连接；Arm处理器(19)的输出端分别与第一可变增益差分放大电路(14)和第二可变增益差分放大电路(15)相连接。
全文摘要
一种光电轴角编码器信号幅值和相位自动补偿电路，属于光电检测技术领域中涉及的一种光电信号补偿电路，要解决的技术问题是，提供一种光电轴角编码器信号幅值和相位自动补偿电路。解决的技术方案包括第一、第二可变增益差分放大电路、峰值检测电路、锁相环和Arm处理器；第一、第二电位计的输出端与第一可变增益差分放大电路的输入端连接；第三、第四电位计的输出端与第二可变增益差分放大电路的输入端连接；第一、第二可变增益差分放大电路的输出端与锁存器、峰值检测电路连接；第二可变增益差分放大电路的输出端与锁相环连接；锁存器、峰值检测电路、锁相环的输出端均与Arm处理器连接；Arm处理器与第一、第二可变增益差分放大电路连接。
文档编号G01D5/26GK101251391SQ20081005058
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月10日 优先权日2008年4月10日
发明者熊文卓, 刚 罗 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所